Funcionamiento de las tuberías por gravedad y en impulsión

Tema 9. Funcionamiento de las tuberías por gravedad y en
impulsión
1.
2.
3.
4.
5.
Funcionamiento de una tubería por gravedad
Funcionamiento de una tubería en impulsión
Consideraciones sobre las depresiones
Vaciado y limpieza de tuberías
Influencia de las bolsas de aire en el funcionamiento de las
instalaciones de gravedad e impulsión
1. Funcionamiento de una tubería por gravedad.
En el funcionamiento de una tubería por gravedad se pueden distinguir,
en principio, seis casos, que resumen las situaciones que pueden producirse
en función de la uniformidad del trazado y de la existencia de válvulas
reguladoras al inicio o al final del recorrido.
a) Circulación libre y pendiente uniforme.
≈0
H≈
Lce
h
h
Lp
Corresponde este caso a la apertura total de la válvula. La presión es
constantemente nula en todo el recorrido de la tubería, por lo que la línea de
carga o línea de alturas piezométricas (LP) coincide con la trayectoria, es
decir, con la línea de alturas geométricas.
La pérdida de carga producida desde el origen a un punto determinado
coincide con la distancia entre dicho punto y la línea de carga estática (Lce).
1
b) Válvula de final de recorrido cerrada.
≈0
H≈
Lce
P/γγ
P/γγ
La presión en cada posición corresponde al desnivel en relación a la
horizontal. Es el caso más desfavorable para una conducción de estas
características, ya que se alcanza el máximo valor de P/γ, por lo que es el
que hay que tener presente a la hora de dimensionar la tubería
c) Válvula de final de recorrido semicerrada.
≈0
H≈
Lce
ha
Lp
h
Pa/γγ
P/γγ
La presión en cada punto es la presión estática menos la pérdida de carga
desde el origen al punto considerado. Conforme se produce la apertura de
la válvula, aumenta la pérdida de carga y disminuye P/γ.
d) Válvula inicial semicerrada.
≈0
H≈
Ha
P/γγ
-H
Pa/γγ
h
ha
2
Existen depresiones en todo el recorrido, que se anulan en la posición
inferior.
Se observa en la figura que, en valor absoluto, H =
P
= −(H − h) = −H + h
γ
P
+ h , luego:
γ
P

 < 0 
γ

e) Válvula inicial cerrada y desnivel de hasta 10 m.
≈0
H≈
Ha
-H
Pa/γγ
Valores máximos, en módulo, de las depresiones. Esquema válido para
diferencias de nivel entre depósitos inferiores a 10 m.
En este caso,
Pa
P
= −(H − H a ) , es decir, a < 0
γ
γ
f) Válvula inicial cerrada y desnivel superior a 10 m.
≈0
H≈
10 mca
H >10 m
Pa/γγ
10 m
Si el desnivel es mayor de 10 m, al no poder ser las depresiones superiores
a 1 atm, existe rotura de la vena líquida. A partir de la válvula el tubo está
vacío y únicamente existe la presión de vapor del agua. Para el desnivel de
10 m e inferiores respecto al segundo depósito, el agua llena el tubo y
decrecen las depresiones hasta anularse en el nivel inferior.
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g) Recorrido sinuoso.
1
Pa/γγ
2
LP
Pb/γγ
Si la línea de carga corta el trazado de la tubería, existirán zonas de
presión positiva y zonas de presión negativa. Las depresiones se
producirán en los tramos en que la línea de alturas piezométricas quede
por debajo de la tubería (intervalo 1-2 en la figura).
2. Funcionamiento de una tubería en impulsión.
La altura manométrica que debe proporcionar el grupo de bombeo debe
ser igual al desnivel geométrico que tiene que vencer el agua (∆z) más la
presión mínima requerida en el punto a abastecer (P/γ) y más la pérdida de
carga (hT) que se produzca en todo el trayecto considerado.
Línea de cotas piezométricas (Lp)
h
P/γγ
Línea de carga estática (Lce)
Hm
∆z
Hm = Hg + hT, siendo Hg = ∆z +
Hm = ∆z +
P
γ
P
+ hT
γ
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Las condiciones específicas que se producen en función de la forma de
trabajo de la bomba (en aspiración o en carga) se analizarán en el tema 13.
3. Consideraciones sobre las depresiones.
Hemos visto que cuando la línea de alturas piezométricas queda por
debajo de la trayectoria de la tubería, se crea una zona de depresión, ya que la
presión absoluta reinante en el interior es menor que la presión atmosférica
 Pabs P0 

 , por lo que puede haber peligro de aplastamiento de la tubería y
<
γ 
 γ
P
posibilidad de cavitación si la presión se iguala a la tensión de vapor  v
 γ

 a

esa temperatura.
Por lo tanto, si
P0  P  Pabs Pv
+ −  =
≤
γ  γ 
γ
γ
habrá cavitación.
En estas zonas de presión negativa no se deben instalar ventosas
bidireccionales, ya que entraría aire en la tubería, pero sí unidireccionales y
bomba de vacío.
4. Vaciado y limpieza de tuberías.
Para evitar la acumulación de residuos y facilitar el vaciado y limpieza de
la tubería, es conveniente colocar en los puntos bajos de la misma purgadores
u otros dispositivos que permitan efectuar estas operaciones.
5. Influencia de las bolsas de aire en el funcionamiento
correcto de las instalaciones de gravedad e impulsión.
En general, el aire que existe en las tuberías puede proceder:
ð Del aire que llena la conducción antes de que entre en servicio.
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ð Del aire disuelto en el agua, que se desprende al disminuir la presión.
ð De los torbellinos que se forman en la aspiración.
ð De pequeñas fisuras que puedan existir en las tuberías.
El aire de las tuberías se acumula en las partes altas de las mismas,
interrumpiendo el paso del agua y originando unas sobrepresiones que pueden
ser mayores que la presión de funcionamiento, por lo que es necesario
evacuarlo a través de las ventosas.
Los principales problemas que plantean las acumulaciones de aire en las
tuberías son los siguientes:
1. Durante el arranque del sistema
Es uno de los problemas más importantes que puede presentar la
acumulación de aire en los puntos más elevados de la conducción. El
aire acumulado en la primera bolsa de la conducción será comprimido al
abrir la válvula de entrada a B por la masa de líquido que hay aguas
arriba, y empujará al fluido confinado en el segundo tramo, que adquirirá
una velocidad menor que la existente en el primer tramo, y
análogamente ocurrirá con la segunda bolsa de aire y el tercer tramo
con agua, de manera que v1 > v2 > v3.
v1
v2
v3
2. Reducción de la sección útil de la tubería
El espacio que ocupa el aire se resta de la sección útil de la conducción,
por lo que la vena líquida reducirá su diámetro en esos puntos. En
consecuencia, también circulará el agua con mayor velocidad y se
creará una pérdida de carga adicional.
3. Golpe de ariete
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Soluciones
1. Evitar en lo posible la entrada de aire.
2. Expulsar el aire colocando ventosas.
3. Al realizar el llenado de la conducción, hacerlo lentamente para evitar
turbulencias (entrada de aire) y dar tiempo a que el aire que llena la
tubería salga por las ventosas.
4. Para evitar bolsas de aire en posiciones desconocidas, con lo que no
sería fácil su extracción, conviene dar a la tubería un perfil con tramos
de distintas pendientes, ascendentes y descendentes, aunque el terreno
sea poco irregular, de manera que estas bolsas de aire se desplacen a
los puntos elevados y se facilite su extracción.
Los valores mínimos recomendados son de un 2 – 3 ‰ para las
pendientes ascendentes y de un 4 – 6 ‰ para las descendentes.
40/00
20/00
40/00
20/00
40/00
20/00
5. En cualquier caso, conviene colocar ventosas incluso en tuberías
horizontales y en tramos descendentes si son de gran longitud, pues el
permitir al aire una salida fácil evitará la formación de bolsas
incontroladas que perjudiquen el buen funcionamiento de la instalación.
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Colocación de las ventosas
En puntos altos notables
A la salida de depósitos
En ramas descendentes de más de 500 m de longitud
En puntos de cambio de pendiente brusca
En tramos largos con ninguna o poca pendiente
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